CN109128063B

CN109128063B - 控制含Ti高强钢铸坯中TiN夹杂的方法

Info

Publication number: CN109128063B
Application number: CN201811074269.9A
Authority: CN
Inventors: 彭著刚; 杨成威; 刘志勇; 张剑君; 朱万军; 齐江华
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2018-09-14
Filing date: 2018-09-14
Publication date: 2021-06-01
Anticipated expiration: 2038-09-14
Also published as: CN109128063A

Abstract

本发明公开了一种控制含Ti高强钢铸坯中TiN夹杂的方法，属于冶金技术领域。该控制方法包括向钢液中添加用于细化结晶晶粒的形核剂，及控制连铸浇铸过热度在10～15℃之间，添加的形核剂质量为钢液质量的0.05％～0.3％，形核剂为粒度≤1μm的CeO₂粒子或ZrO₂粒子中的至少一种。本发明设计的控制方法解决了含Ti高强钢铸坯中TiN夹杂尺寸过大容易引起连铸过程中裂纹缺陷及对钢材的冲击性能产生不利影响的技术问题，使得制备得到的铸坯中尺寸＜4μm的TiN夹杂物比例≥90％，4～10μm的TiN夹杂物比例为0～10％，＞10μm的TiN夹杂物比例为0，成品钢材的冲击功(‑20℃/KV₂)≥90J。

Description

控制含Ti高强钢铸坯中TiN夹杂的方法

技术领域

本发明涉及铸坯中夹杂物的控制方法，属于冶金技术领域，具体地涉及一种控制含Ti高强钢铸坯中TiN夹杂的方法。

背景技术

随着节能减排意识的增强，轻量化的高强钢已广泛应用于工程机械、汽车、集装箱等制造领域。近年来，国内制造企业对性价比很高的Ti强化高强钢的青睐与日俱增。采用Ti析出强化，相对于以Nb、V为主要强化元素的高强钢来说，合金成本能够下降约10～30％。

微合金元素钛是强碳、氮化物形成元素，Ti能与N、C结合，形成稳定的氮化物、碳化物，阻止奥氏体晶粒的长大，从而改善材料的焊接性能；Ti能变质钢中的硫化物，改善材料的纵横向性能的差异及冷成型性能。通过控轧控冷工艺，充分发挥钛的细化晶粒和沉淀强化作用，可以获得综合性能良好的低成本、高性能钛微合金钢。但是，在液相和凝固过程中析出的TiN粒子尺寸较大，不能阻止奥氏体晶粒生长，也不能沉淀强化，反而会降低钢的低温韧性和提高韧脆转变温度，在连铸过程中很容易产生裂纹缺陷。而且由于TiN夹杂本身尖利的棱角和不变形性，对钢材的冲击性能影响很大，目前，这类钢种因冲击功性能不合格导致的产品改判量较大。在粒度相同时，TiN夹杂的危害性远远超过氧化物夹杂，所以控制钢中TiN的大小对提高钢的性能至关重要。

如发表于《中国稀土学报》(2008年8月)的“铸坯中TiN夹杂物的形成原因探讨”，对连铸坯中TiN夹杂的形成进行了研究，结果显示，TiN夹杂是在凝固过程中析出，并且CaS夹杂的存在会促进TiN夹杂的形成；利用O-K偏析模型计算，如果控制钢液[S％]在0.0042以下，可以避免TiN以凝固前沿己经析出的Cas为核心长大；钢液中的[N％]积要控制在1.6×10^-5以下，才能保证TiN夹杂在凝固末期析出，试验证明在铸坯中没有发现大于4μm的TiN夹杂。该篇文献对铸坯中TiN夹杂物的形成在结合具体的理论计算的基础上进行了仔细了探讨，对现实生产具备一定的指导意义，但实际的生产中并不能保证完全没有大于4um的TiN夹杂。

又如发表于《金属热处理》(2007年第32卷第12期)的“低合金高强度钢钛微合金化进展”中，总结了钛在低合金高强钢中的析出行为，包括析出物的种类、形态、尺寸及析出动力学；讨论了钛的碳化物、氮化物及硫化物对材料组织和性能的影响；概述了钛微合金化在低合金高强钢中的工业应用进展、难点及可能的研究方向。其中，文中还报道了，当钢中的Ti含量为(0.02～0.03)wt％、氮含量为0.05wt％左右时，只有钢水中的固相比例达到80％，TiN才可能在凝固前沿的液相中析出，同时，液相区析出的TiN尺寸大小与钢水中的钛、氮含量及冷却速度有关。钢水中钛、氮含量越低，液态析出的TiN越细小；冷却速度强烈影响TiN的大小，冷却速度越大，液态析出的TiN越细小，Ti含量为(0.025～0.045)wt％、N含量为(0.0045～0.007)wt％，5kg大小的铸锭空冷，液态范围内析出的TiN尺寸在1～3μm之间；，钢水凝固过程中，由于Ti的偏析，TiN颗粒聚集在一起，以偏聚形式析出，TiN颗粒尺寸约为5.6nm，偏聚区域的尺寸约为(0.2～0.8)μm×5μm；然而，Ti含量控制过低，虽然在一定程度上解决了TiN夹杂较大的问题，但却限制了含Ti高强钢的开发和应用。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种控制含Ti高强钢铸坯中TiN(氮化钛)夹杂的方法，该方法通过向钢液中添加高熔点形核剂以达到细化晶粒的目的。

为实现上述目的，本发明提供了一种控制含Ti高强钢铸坯中TiN夹杂的方法，它包括向钢液中添加用于细化结晶晶粒的形核剂，及控制连铸浇铸的过热度在10～15℃之间，添加的所述形核剂质量为钢液质量的0.05％～0.3％。

进一步地，所述形核剂为CeO₂粒子或ZrO₂粒子中的至少一种，所述CeO₂粒子或ZrO₂粒子的粒度≤1μm(粒度大于零)；其中，CeO₂粒子或ZrO₂粒子为高熔点粒子(熔点分别为2397℃和2680℃)，将其添加到钢液中后可增加形核核心，促进钢液凝固，细化铸坯凝固组织，从而达到含Ti高强钢铸坯中TiN夹杂尺寸细小、分布均匀的目的。

进一步地，所述形核剂质量为钢液质量的0.1％～0.2％。

最优的，所述形核剂质量为钢液质量的0.2％。

最优的，所述形核剂质量为钢液质量的0.15％。

最优的，所述形核剂质量为钢液质量的0.1％。

进一步地，所述形核剂为采用铁皮包裹制成包芯线，连铸时采用喂丝机喂入钢液中，并且所述钢液置于连铸结晶器内。

进一步地，所述钢液包括如下质量百分比的各组分：

C:0.04％～0.10％、Mn:1.5％～2.1％、Si:0.05％～0.5％、Ti:0.05％～0.3％、N≤50ppm、S≤0.008％、P≤0.02％、Al:0.01％～0.08％，余量为Fe及不可避免的杂质。

进一步地，所述钢液包括如下质量百分比的各组分：

C:0.055％～0.09％、Mn:1.65％～1.9％、Si:0.05％～0.3％、Ti:0.1％～0.2％、N≤40ppm、S≤0.005％、P≤0.012％、Al:0.04％～0.06％，余量为Fe及不可避免的杂质。

最优的，所述钢液包括如下质量百分比的各组分：

C:0.085％、Mn:1.850％、Si:0.103％、Ti:0.146％、N:0.0045％、S:0.002％、P:0.008％、Al:0.055％，余量为Fe及不可避免的杂质。

最优的，所述钢液包括如下质量百分比的各组分：

C:0.057％、Mn:1.659％、Si:0.069％、Ti:0.117％、N:0.0047％、S:0.004％、P:0.008％、Al:0.052％，余量为Fe及不可避免的杂质。

进一步地，连铸浇铸工艺处理得到的铸坯中尺寸＜4μm的TiN夹杂物比例≥90％，尺寸4～10μm的TiN夹杂物比例为0～10％，尺寸＞10μm的TiN夹杂物比例为0。

进一步地，连铸浇铸工艺处理得到的铸坯中尺寸＜4μm的TiN夹杂物比例≥95％，尺寸4～10μm的TiN夹杂物比例为0～5％，尺寸＞10μm的TiN夹杂物比例为0。

进一步地，采用所述方法得到成品的冲击功(-20℃/KV₂)≥90J。

进一步地，采用所述方法得到成品的冲击功(-20℃/KV₂)≥110J。

本发明钢液中各合金元素含量的控制原理如下：

碳(C)：碳是钢中的基本元素，也是最经济、有效的强化元素，但含量过高则降低了钢的塑性和冲击韧性，恶化冷成型性和焊接性能。因此，C含量控制在：0.04％～0.10％。

硅(Si)：硅是固溶强化元素，固溶在铁素体中，随着硅含量的增加，钢的强度显著提高，塑性和冲击韧性明显下降，冷成型性和焊接性能下降。硅含量增加，硅元素容易在钢板表面形成致密的氧化层Mn₂SiO₄，从而影响材料的镀锌性能。因此，Si含量控制在：0.05％～0.5％。

锰(Mn)：锰起固溶强化作用，过高的锰含量会对钢的塑性和冲击性能产生严重的影响。因此，Mn含量控制在：1.5％～2.1％。

磷(P)：在传统观点中，磷在钢中是属于有害元素。它会降低钢的冲击韧性，提高钢的脆化温度，恶化钢的焊接性能，其实那是磷与碳共同作用的结果。如果除去碳的影响，磷还能使塑性、韧性有所增加，使脆化温度有所降低。磷是非碳化物形成元素，它在钢中的存在形式主要是溶于铁素体。在配位数都是12时，它的原子半径为

比铁原子大

因此当它溶于铁素体时能够取代铁原子形成置换固溶体。在除了碳、氮元素以外的诸多固溶体形成元素中，磷的固溶强化能力最大。但磷含量过高会导致材料的塑性、焊接性和成形性不利。因此，P含量控制在≤0.02％。

硫(S)：硫是有害元素。对材料的塑性、韧性不利，同时降低耐腐蚀性。因此必须严格限制硫含量，S含量控制在≤0.008％。

铝(Als)：铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化晶粒，抑制N在铁素体中的固溶，提高冲击韧性。

氮(N)：氮能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性，但本申请为了减小TiN夹杂物的尺寸，控制为N≤50ppm。

钛(Ti)：钛是强碳化物形成元素，它和N、O、C都有极强的亲和力，另外，Ti和C形成的碳化物结合力极强，极稳定，不易分解，只有当加热温度达1000℃以上时，才开始缓慢地融入固溶体中，在未溶入以前，TiC微粒有阻止钢晶粒长大粗化的作用。但是，在液相和凝固过程中析出的TiN粒子尺寸较大，不能阻止奥氏体晶粒生长，也不能沉淀强化，反而会降低钢的低温韧性和提高韧脆转变温度，在连铸过程中很容易产生裂纹缺陷，本申请中的Ti含量控制为0.05％～0.3％。

本发明的有益效果主要体现在如下几个方面：

1、本发明设计的控制方法有效的解决了含Ti高强钢铸坯中TiN夹杂尺寸过大容易引起的连铸过程中裂纹缺陷及对钢材的冲击性能产生不利影响的技术问题，该控制方法通过向钢液中添加高熔点形核剂，使得连铸浇铸工艺处理得到的铸坯中尺寸＜4μm的TiN夹杂物比例≥90％，4～10μm的TiN夹杂物比例为0～10％，＞10μm的TiN夹杂物比例为0，成品钢材的冲击功(-20℃/KV₂)≥90J；同时，本发明添加的高熔点形核剂随同TiN夹杂形成细小的夹杂物，故不会对铸坯的性能有影响；

2、本发明设计的控制方法在控制成本的基础上，操作方法相对简单，具备比较现实的使用意义和前景。

附图说明

图1为尺寸＜4μm的TiN夹杂物的扫描电镜图；

图2为尺寸在4～10μm之间的TiN夹杂物的扫描电镜图；

图3为尺寸＞10μm的TiN夹杂物的扫描电镜图；

具体实施方式

为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。

实施例1

本实施例公开了一种控制含Ti高强钢铸坯中TiN夹杂的方法，它包括向连铸结晶器内的钢液中添加用于细化结晶晶粒的，质量为钢液质量的0.2％的ZrO₂粒子(粒度为0.5μm)，其中，钢液中包括如下质量百分比的各组分：C:0.085％、Mn:1.850％、Si:0.103％、Ti:0.2％、N:0.0045％、S:0.002％、P:0.008％、Al:0.055％，余量为Fe及不可避免的杂质，通过连铸浇铸工艺制备得到铸坯，并控制连铸浇铸过热度为10℃；

测定铸坯中各尺寸TiN夹杂物的比例及TiN夹杂物数量密度，同时测定成品钢材的冲击功，结果如表1所示；其中，各尺寸TiN夹杂物含量的测定方式为采用“夹杂物分析仪”扫描分析与统计方法，钢材的冲击功测定方法为金属材料夏比摆锤冲击试验方法(GB/T229-2007)，所用成品钢材的厚度为12.5mm，下面实施例及对比例的测试条件与本实施例相同，故不作赘述。

实施例2

本实施例公开了一种控制含Ti高强钢铸坯中TiN夹杂的方法，它包括向连铸结晶器内的钢液中添加用于细化结晶晶粒的，质量为钢液质量的0.15％的ZrO₂粒子(粒度为0.5μm)，其中，钢液中包括如下质量百分比的各组分：C:0.085％、Mn:1.850％、Si:0.103％、Ti:0.2％、N:0.0045％、S:0.002％、P:0.008％、Al:0.055％，余量为Fe及不可避免的杂质，通过连铸浇铸工艺制备得到铸坯，并控制连铸浇铸过热度为10℃；

测定铸坯中各尺寸TiN夹杂物的比例及TiN夹杂物数量密度，同时测定成品钢材的冲击功，结果如表1所示；

实施例3

本实施例公开了一种控制含Ti高强钢铸坯中TiN夹杂的方法，它包括向连铸结晶器内的钢液中添加用于细化结晶晶粒的，质量为钢液质量的0.1％的ZrO₂粒子(粒度为0.5μm)，其中，钢液中包括如下质量百分比的各组分：C:0.085％、Mn:1.850％、Si:0.103％、Ti:0.2％、N:0.0045％、S:0.002％、P:0.008％、Al:0.055％，余量为Fe及不可避免的杂质，通过连铸浇铸工艺制备得到铸坯，并控制连铸浇铸过热度为10℃；

实施例4

本实施例公开了一种控制含Ti高强钢铸坯中TiN夹杂的方法，它包括向连铸结晶器内的钢液中添加用于细化结晶晶粒的，质量为钢液质量的0.3％的ZrO₂粒子(粒度为0.5μm)，其中，钢液中包括如下质量百分比的各组分：C:0.085％、Mn:1.850％、Si:0.103％、Ti:0.2％、N:0.0045％、S:0.002％、P:0.008％、Al:0.055％，余量为Fe及不可避免的杂质，通过连铸浇铸工艺制备得到铸坯，并控制连铸浇铸过热度为10℃；

实施例5

本实施例公开了一种控制含Ti高强钢铸坯中TiN夹杂的方法，它包括向连铸结晶器内的钢液中添加用于细化结晶晶粒的，质量为钢液质量的0.15％的CeO₂粒子(粒度为0.5μm)，其中，钢液中包括如下质量百分比的各组分：C:0.085％、Mn:1.850％、Si:0.103％、Ti:0.2％、N:0.0045％、S:0.002％、P:0.008％、Al:0.055％，余量为Fe及不可避免的杂质，通过连铸浇铸工艺制备得到铸坯，并控制连铸浇铸过热度为10℃；

实施例6

本实施例公开了一种控制含Ti高强钢铸坯中TiN夹杂的方法，它包括向连铸结晶器内的钢液中添加用于细化结晶晶粒的，质量为钢液质量的0.2％的ZrO₂粒子(粒度为1μm)，其中，钢液中包括如下质量百分比的各组分：C:0.085％、Mn:1.850％、Si:0.103％、Ti:0.2％、N:0.0045％、S:0.002％、P:0.008％、Al:0.055％，余量为Fe及不可避免的杂质，通过连铸浇铸工艺制备得到铸坯，并控制连铸浇铸过热度为15℃；

测定铸坯中各尺寸TiN夹杂物的比例及TiN夹杂物数量密度，同时测定成品钢材的冲击功，结果如表2所示；

实施例7

本实施例公开了一种控制含Ti高强钢铸坯中TiN夹杂的方法，它包括向连铸结晶器内的钢液中添加用于细化结晶晶粒的，质量为钢液质量的0.15％的CeO₂粒子(粒度为1μm)，其中，钢液中包括如下质量百分比的各组分：C:0.057％、Mn:1.659％、Si:0.069％、Ti:0.117％、N:0.0047％、S:0.004％、P:0.008％、Al:0.052％，余量为Fe及不可避免的杂质，通过连铸浇铸工艺制备得到铸坯，并控制连铸浇铸过热度为15℃；

实施例8

本实施例公开了一种控制含Ti高强钢铸坯中TiN夹杂的方法，它包括向连铸结晶器内的钢液中添加用于细化结晶晶粒的，质量为钢液质量的0.10％的ZrO₂粒子(粒度为1μm)，其中，钢液中包括如下质量百分比的各组分：C:0.062％、Mn:1.753％、Si:0.291％、Ti:0.082％、N:0.0042％、S:0.003％、P:0.009％、Al:0.045％，余量为Fe及不可避免的杂质，通过连铸浇铸工艺制备得到铸坯，并控制连铸浇铸过热度为15℃；

本发明还公开了对比例1和对比例2，其中对比例1的其它工艺条件与实施例1相同，不同点在于不向钢液中添加任何形核剂；对比例2的其它工艺条件与实施例6相同，不同点在于不向钢液中添加任何形核剂；

上述实施例1～5及对比例1得到的铸坯中TiN夹杂和钢材性能对比列表如表1：

表1性能列表(一)

上述实施例6～8及对比例2得到的铸坯中TiN夹杂和钢材性能对比列表如表2：

表2性能列表(二)

由上述表1和表2可知，在一定条件下，向钢液中添加形核剂的量越多，生成的铸坯中TiN夹杂物尺寸越小，同时，尺寸细小的TiN夹杂物数量也显著增加，而细小的TiN夹杂物有利于提高钢的性能，如钢材的冲击性能有了明显改善；而相对于不添加形核剂的铸坯，其TiN夹杂物的尺寸也相对较大，且尺寸分布也更加不均匀。

结合图1、图2和图3可知，通过扫描电镜图可知，TiN夹杂菱角分明，不易变形，其尺寸越大，越容易产生铸坯裂纹以及成品质量问题。

以上实施例仅为最佳举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。除上述实施例外，本发明还有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims

1.一种控制含Ti高强钢铸坯中TiN夹杂的方法，其特征在于：它包括向钢液中添加用于细化结晶晶粒的形核剂，及控制连铸浇铸的过热度在10～15℃之间，添加的所述形核剂质量为钢液质量的0.05％～0.3％；所述形核剂为CeO₂粒子或ZrO₂粒子中的至少一种，所述CeO₂粒子或ZrO₂粒子的粒度≤1μm；所述形核剂质量为钢液质量的0.1％～0.2％；所述形核剂为采用铁皮包裹制成包芯线，连铸时采用喂丝机喂入钢液中；所述钢液包括如下质量百分比的各组分：C:0.04％～0.10％、Mn:1.5％～2.1％、Si:0.05％～0.5％、Ti:0.05％～0.3％、N≤50ppm、S≤0.008％、P≤0.02％、Al:0.01％～0.08％，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述控制含Ti高强钢铸坯中TiN夹杂的方法，其特征在于：所述钢液包括如下质量百分比的各组分：C:0.055％～0.09％、Mn:1.65％～1.9％、Si:0.05％～0.3％、Ti:0.1％～0.2％、N≤40ppm、S≤0.005％、P≤0.012％、Al:0.04％～0.06％，余量为Fe及不可避免的杂质。

3.根据权利要求1或2所述控制含Ti高强钢铸坯中TiN夹杂的方法，其特征在于：连铸浇铸工艺处理得到的铸坯中尺寸＜4μm的TiN夹杂物比例≥90％，尺寸为4～10μm的TiN夹杂物比例为0～10％，尺寸＞10μm的TiN夹杂物为0。

4.根据权利要求3所述控制含Ti高强钢铸坯中TiN夹杂的方法，其特征在于：连铸浇铸工艺处理得到的铸坯中尺寸＜4μm的TiN夹杂物比例≥95％，尺寸为4～10μm的TiN夹杂物比例为0～5％，尺寸＞10μm的TiN夹杂物为0。

5.根据权利要求1或2所述控制含Ti高强钢铸坯中TiN夹杂的方法，其特征在于：采用所述方法得到的成品在-20℃的冲击功KV2≥90J。

6.根据权利要求5所述控制含Ti高强钢铸坯中TiN夹杂的方法，其特征在于：采用所述方法得到的成品在-20℃的冲击功KV2≥110J。